Nền tảng trên cao hoạt động ở tầng khí quyển nào và tại sao lại chọn độ cao đó?

Nền tảng trên cao hoạt động chủ yếu ở tầng bình lưu dưới tại độ cao từ 17 km đến 22 km (với mốc danh định 20 km). Độ cao này nằm phía trên hầu hết các hiện tượng thời tiết đối lưu và hành trình bay thương mại, đồng thời sở hữu vùng vận tốc gió cực tiểu cục bộ giúp phương tiện tiết kiệm năng lượng giữ vị trí tĩnh.

Trạm viễn thông HAPS có những ưu thế gì vượt trội so với vệ tinh quỹ đạo thấp LEO và trạm BTS mặt đất?

So với trạm BTS mặt đất, HAPS cung cấp vùng phủ sóng rộng lớn với đường kính từ 60 km đến 400 km và góc ngẩng cao giúp hạn chế bóng râm đô thị. So với vệ tinh LEO và GEO, HAPS có độ trễ truyền sóng hai chiều cực thấp (dưới 1 ms), suy hao tín hiệu nhỏ hơn từ 25 dB đến 70 dB và có thể dễ dàng hạ cánh xuống mặt đất để bảo trì hoặc nâng cấp phần cứng.

Những loại phương tiện bay nào được sử dụng phổ biến làm nền tảng trên cao?

HAPS được chia thành ba nhóm phương tiện chính gồm khí cầu tĩnh không (aerostats), khí cầu điều khiển tầng bình lưu (airships) và máy bay không người lái cánh cố định dùng năng lượng mặt trời (solar-powered UAVs). Ngoài ra, một số thiết kế áp dụng cấu hình lai ghép kết hợp sức nâng tĩnh của khí heli và lực nâng khí động học của bề mặt cánh.

Thách thức kỹ thuật lớn nhất khi triển khai nền tảng trên cao dài ngày là gì?

Thách thức hàng đầu là duy trì chu trình năng lượng ngày và đêm liên tục ở môi trường nhiệt độ khắc nghiệt từ -15 °C đến -50 °C (có thể hạ tới -70 °C hoặc -80 °C) và áp suất không khí rất loãng (chỉ bằng 5% mặt đất). Các phương tiện phải sử dụng tấm quang điện hiệu suất cao kết hợp khối pin tích trữ có mật độ năng lượng trên 300 Wh/kg để duy trì lực đẩy chống lại gió tầng bình lưu suốt ban đêm.

Nền tảng trên cao là gì? Ứng dụng trạm viễn thông HAPS

Nền tảng trên cao (high-altitude platform, HAP) là phương tiện bay hoạt động ở tầng bình lưu tại độ cao từ 20 đến 50 km so với mực nước biển. Theo định nghĩa chuẩn của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU RR 1.66A), trạm nền tảng trên cao (high-altitude platform station, HAPS) là trạm vô tuyến điện đặt trên một vật thể bay duy trì tại một điểm danh định cố định xác định so với bề mặt Trái Đất. Nhờ vị trí trung gian giữa các tháp phát sóng mặt đất và hệ thống vệ tinh không gian, HAPS đóng vai trò như một trạm phát sóng siêu vĩ mô trên không, cung cấp kết nối mạng viễn thông băng rộng không dây, hỗ trợ chuyển tiếp dữ liệu với độ trễ thấp và thực hiện các nhiệm vụ viễn thám bề mặt Trái Đất với độ phân giải cao.

Khái niệm và định nghĩa chuẩn theo Liên minh Viễn thông Quốc tế

Thuật ngữ trạm nền tảng trên cao được quy chuẩn hóa chính thức trong Thể lệ Vô tuyến (Radio Regulations) của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU, 2020). Cụ thể, Điều khoản 1.66A (RR 1.66A) xác định HAPS là một trạm vô tuyến điện đặt trên một vật thể bay ở độ cao từ 20 đến 50 km và duy trì tại một điểm danh định cố định xác định so với bề mặt Trái Đất. Quy chuẩn này phân biệt rõ ràng trạm nền tảng trên cao với các phương tiện bay không người lái tầm thấp hoạt động trong tầng đối lưu (thường bay dưới 1000 m hoặc trần bay tầng đối lưu dưới 10 km đến 12 km) cũng như các vệ tinh nhân tạo quay quanh các quỹ đạo không gian vũ trụ bên ngoài bầu khí quyển.

Mặc dù khung pháp lý của ITU quy định dải độ cao danh định từ 20 đến 50 km, các nghiên cứu thực nghiệm và khảo sát chuyên ngành (Karapantazis và Pavlidou, 2005; Karabulut Kurt và cộng sự, 2021) chỉ ra rằng vùng hoạt động tối ưu nhất của HAPS nằm trong dải độ cao hẹp hơn, tập trung từ 17 đến 22 km (thường lấy giá trị chuẩn là 20 km). Ở độ cao này, phương tiện bay nằm hoàn toàn phía trên các tầng mây khí tượng, vượt qua độ cao hành trình của máy bay thương mại (thường hoạt động dưới 12 km), đồng thời tận dụng được các đặc tính khí động học và khí tượng đặc thù của tầng bình lưu dưới.

Về phân bổ phổ tần số vô tuyến, ITU đã liên tục mở rộng tài nguyên băng tần cho HAPS qua các kỳ Hội nghị Thông tin Vô tuyến Thế giới (WRC). Tại WRC-97, các băng tần sóng milimét 47,2–47,5 GHz và 47,9–48,2 GHz lần đầu tiên được chỉ định cho các tuyến cố định sử dụng HAPS. Đến kỳ hội nghị WRC-2000, ITU bổ sung thêm băng tần 27,9–28,2 GHz và 31,0–31,3 GHz cho dịch vụ cố định, đồng thời cho phép sử dụng HAPS làm trạm gốc di động mặt đất trong các dải tần 1885–1980 MHz, 2010–2025 MHz và 2110–2170 MHz. Tiếp đó, WRC-19 xác định dải băng tần toàn cầu 38–39,5 GHz, và gần đây nhất là WRC-23 đã thông qua việc định danh HAPS hoạt động như trạm gốc thông tin di động quốc tế (HIBS - HAPS as IMT Base Stations) tại các băng tần dưới 2,7 GHz, cụ thể là 694–960 MHz, 1710–1885 MHz và 2500–2690 MHz, mở ra khả năng kết nối trực tiếp tới các thiết bị cầm tay thông thường của người dùng mà không cần thay đổi phần cứng máy thu.

Phân loại phương tiện nền tảng trên cao

Để duy trì hoạt động lâu dài ở tầng bình lưu loãng, các nền tảng trên cao được thiết kế dựa trên các nguyên lý khí động học và sức nâng khác nhau. Dựa trên cơ chế tạo lực nâng, HAPS được phân chia thành ba nhóm phương tiện chính và một cấu hình lai ghép (Alfattani và cộng sự, 2023):

Khí cầu tĩnh không

Khí cầu tĩnh không (aerostats / free-floating balloons) tạo lực nâng hoàn toàn dựa vào lực đẩy Archimedes trong chất lưu, sử dụng các loại khí nhẹ hơn không khí như heli hoặc hydro chứa trong vỏ khí áp suất cao (superpressure balloon). Khí cầu tĩnh không có ưu điểm vượt trội về chi phí chế tạo thấp, cấu trúc nhẹ và khả năng mang tải hiệu quả. Dự án Loon (Project Loon) đã chứng minh tính khả thi thực tế khi các khí cầu siêu áp hoạt động liên tục trên 300 ngày (với kỷ lục đạt 312 ngày vào năm 2020) tại độ cao từ 18 đến 20 km. Tuy nhiên, do không trang bị hệ thống động cơ đẩy công suất lớn, khí cầu tự do không thể duy trì một vị trí địa lý cố định tuyệt đối mà phải áp dụng các thuật toán điều khiển độ cao để đón các luồng gió tầng bình lưu thổi theo các hướng khác nhau nhằm giữ vùng bay tuần tra.

Khí cầu điều khiển tầng bình lưu

Khí cầu điều khiển (stratospheric airships) là phương tiện bay nhẹ hơn không khí có lắp đặt hệ thống động lực điều khiển chủ động, bao gồm các động cơ điện cánh quạt và hệ thống bánh lái khí động học. Vỏ khí có thể tích rất lớn chứa đầy khí heli giúp cung cấp sức nâng tĩnh liên tục mà không tiêu tốn năng lượng đẩy. Năng lượng vận hành được cung cấp bởi các mảng pin mặt trời bao phủ mặt trên thân khí cầu và hệ thống pin tích năng phục vụ ban đêm. Nhờ thể tích khoang lớn, khí cầu điều khiển có khả năng mang tải trọng hữu ích vượt trội, từ vài trăm kilôgam đến hơn 1000 kg, cho phép tích hợp các hệ thống anten mảng pha cỡ lớn, trạm chuyển tiếp viễn thông công suất cao hoặc các radar quan sát khẩu độ tổng hợp.

Máy bay không người lái cánh cố định năng lượng mặt trời

Máy bay không người lái khí động học cánh cố định (solar-powered fixed-wing UAVs) là phương tiện nặng hơn không khí, tạo lực nâng nhờ chuyển động tiến về phía trước làm luồng khí lưu thông qua mặt cánh máy bay. Để hoạt động bền bỉ ở mật độ không khí rất thấp của tầng bình lưu, các phương tiện này có tỷ số độ mảnh cánh cực cao với sải cánh rất dài và trọng lượng khung thân siêu nhẹ chế tạo từ vật liệu sợi carbon. Ví dụ tiêu biểu là máy bay Airbus Zephyr với sải cánh 25 m nhưng trọng lượng chưa tới 75 kg, đã lập kỷ lục bay liên tục 64 ngày trên tầng bình lưu vào năm 2022. Một dự án quy mô lớn khác là SoftBank Sunglider (tiền thân là HAWK30) với sải cánh lên tới 78 m, trang bị 10 động cơ cánh quạt điện, có khả năng mang tải trọng viễn thông nặng 75 kg. Các UAV này duy trì vị trí trạm bằng cách bay lượn vòng tròn hoặc theo quỹ đạo hình số 8 với bán kính hẹp quanh tọa độ chỉ định.

Nền tảng lai ghép

Nền tảng lai ghép (hybrid platforms) kết hợp đồng thời lực đẩy Archimedes của khí cầu và lực nâng khí động học của bề mặt cánh khi di chuyển. Thiết kế này hướng tới việc dung hòa giữa khả năng mang tải lớn của khí cầu và tính linh hoạt trong cơ động, điều khiển vị trí của máy bay có cánh.

Bảng dưới đây tổng hợp các đặc tính kỹ thuật cơ bản của các dòng phương tiện nền tảng trên cao:

Tham số kỹ thuật	Khí cầu siêu áp tự do	Khí cầu điều khiển	UAV cánh cố định mặt trời	Nền tảng lai ghép
Cơ chế tạo lực nâng	Lực đẩy tĩnh không Archimedes	Lực đẩy tĩnh không Archimedes	Lực nâng khí động học qua cánh	Kết hợp tĩnh không và khí động học
Khả năng giữ vị trí tĩnh	Bán cố định nhờ dẫn đường gió	Giữ vị trí chủ động bằng động cơ	Bay tuần tra vòng tròn hẹp	Điều khiển cơ động linh hoạt
Tải trọng hữu ích mang theo	Nhỏ đến trung bình (5 đến 15 kg)	Rất lớn (từ vài trăm đến hơn 1000 kg)	Hạn chế (thường từ 5 đến 75 kg)	Trung bình (hàng trăm kilôgam)
Thời gian duy trì nhiệm vụ	Rất dài (trên 300 ngày liên tục)	Kéo dài nhiều tháng đến một năm	Từ vài tuần đến hơn hai tháng	Dài ngày theo thiết kế thùng khí
Độ nhạy với gió tầng bình lưu	Trôi dạt theo dòng gió kiểm soát	Cản gió lớn do diện tích vỏ lớn	Kháng gió tốt nhờ hình dáng mảnh	Chịu ảnh hưởng hỗn hợp của gió

So sánh nền tảng trên cao với trạm mặt đất và mạng vệ tinh

Trong kiến trúc mạng viễn thông phân lớp hiện đại, HAPS giữ vai trò mắt xích kết nối trung gian độc đáo nằm giữa các trạm thu phát sóng mặt đất (BTS) và các chòm vệ tinh không gian quỹ đạo tầm thấp (LEO) hoặc quỹ đạo địa tĩnh (GEO). Nhằm làm rõ vị trí chiến lược của HAPS, bảng so sánh kỹ thuật sau đây tổng hợp các chỉ số hiệu năng cốt lõi dựa trên các công bố của Giordani và Zorzi (2021) cùng Lin và cộng sự (2021):

Tiêu chí đánh giá	Trạm mặt đất (Terrestrial BTS)	Nền tảng trên cao (HAPS)	Vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO)	Vệ tinh địa tĩnh (GEO)
Độ cao hoạt động danh định	Từ 10 m đến 50 m (0,01 đến 0,05 km)	Từ 17 km đến 22 km (danh định 20 km)	Từ 300 km đến 1500 km (chuẩn 500–1200 km)	Cố định tại 35786 km (xấp xỉ 36000 km)
Độ trễ truyền sóng khứ hồi	Cực thấp (dưới 1 ms ở cấp vô tuyến)	Rất thấp (khoảng 0,13 ms đến 0,3 ms)	Thấp (dao động từ 10 ms đến 30 ms)	Lớn (dao động từ 250 ms đến 280 ms)
Đường kính vùng phủ sóng	Hẹp (thường từ 2 km đến 10 km)	Rộng (từ 60 km đến 400 km trên mặt đất)	Rất rộng (từ 1000 km đến 3000 km)	Quy mô lục địa (chiếm một phần ba địa cầu)
Suy hao không gian tự do	Rất nhỏ do cự ly truyền dẫn ngắn	Thấp hơn LEO 25–35 dB, hơn GEO 60–70 dB	Lớn do khoảng cách truyền sóng hàng trăm km	Rất lớn do khoảng cách truyền sóng hàng chục nghìn km
Xác suất tầm nhìn thẳng (LoS)	Thấp trong đô thị do che khuất địa hình	Rất cao (góc ngẩng lớn từ 20 đến 90 độ)	Thay đổi liên tục theo quỹ đạo bay	Phụ thuộc vào vĩ độ đặt máy thu mặt đất
Chi phí triển khai và phóng trạm	Chi phí xây lắp dân dụng từng vị trí	Thấp, cất cánh trực tiếp từ mặt đất	Cao do phụ thuộc vào tên lửa đẩy vũ trụ	Rất cao đối với mỗi quả vệ tinh địa tĩnh
Khả năng thu hồi và bảo trì	Rất thuận tiện bảo trì tại chỗ	Dễ dàng hạ cánh bảo dưỡng định kỳ	Không thể thu hồi sửa chữa kinh tế	Không thể thu hồi sau khi đã vào quỹ đạo

So sánh trên làm nổi bật các thế mạnh công nghệ vượt bậc của nền tảng trên cao:

Độ trễ truyền sóng ở mức mili-giây: Do cự ly truyền sóng chỉ vào khoảng 20 km, độ trễ truyền sóng hai chiều của HAPS chỉ rơi vào khoảng 0,13 ms đến 0,3 ms (độ trễ một chiều vật lý dưới 0,07 ms). Đây là lợi thế rất lớn khi so với độ trễ truyền sóng từ 250 ms đến 280 ms của vệ tinh địa tĩnh GEO và 10 ms đến 30 ms của vệ tinh quỹ đạo thấp LEO, cho phép HAPS đáp ứng tốt các dịch vụ đòi hỏi độ trễ cực thấp trong mạng viễn thông thế hệ mới.
Góc ngẩng cao và xác suất tầm nhìn thẳng vượt trội: Từ độ cao bình lưu 20 km nhìn xuống vùng trung tâm phủ sóng đô thị, góc ngẩng anten thường đạt từ 20 đến 90 độ. Góc ngẩng dốc giúp sóng điện từ tránh được hiện tượng thấu mờ bóng râm do các tòa nhà cao tầng che chắn và hạn chế hiện tượng pha-đinh đa đường so với các trạm phát sóng mặt đất truyền thống.
Khả năng nâng cấp công nghệ linh hoạt: Khác với vệ tinh vũ trụ sau khi phóng lên quỹ đạo gần như không thể can thiệp phần cứng, các phương tiện HAPS có thể hạ cánh an toàn xuống sân bay mặt đất để bảo dưỡng khung thân, nâng cấp bo mạch điện tử, thay đổi cấu hình bộ xử lý vô tuyến và tái phóng với chi phí thấp.

Cơ sở lý thuyết truyền sóng và ngân sách đường truyền

Để thiết kế đường truyền vô tuyến tin cậy giữa trạm HAPS và người dùng trên mặt đất, các kỹ sư viễn thông áp dụng mô hình truyền sóng không gian tự do kết hợp các thành phần suy hao khí quyển (Karapantazis và Pavlidou, 2005).

Suy hao truyền sóng không gian tự do (free space path loss, FSPL) tổng quát được biểu diễn theo công thức:

\text{FSPL} = 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) + 20 \log_{10}\left(\frac{4\pi}{c}\right)

với $d$ là khoảng cách truyền sóng không gian giữa trạm trên cao và máy thu mặt đất, $f$ là tần số sóng mang vô tuyến, và $c$ là vận tốc truyền lan ánh sáng trong chân không.

Khi quy đổi khoảng cách sang đơn vị kilômét và tần số sang gigahertz, công thức tính suy hao truyền sóng thực dụng được viết dưới dạng decibel (dB) như sau:

\text{FSPL}(\text{dB}) = 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) + 92.45

với $\text{FSPL}(\text{dB})$ là suy hao không gian tự do tính bằng đơn vị decibel, $d$ là khoảng cách truyền sóng tính bằng kilômét, và $f$ là tần số sóng mang tính bằng gigahertz (nếu tần số tính bằng megahertz, hằng số cộng sẽ tương đương với giá trị 32,44).

Trong việc lập kế hoạch phủ sóng vô tuyến thực tế, ngân sách đường truyền (link budget) hoàn chỉnh được xác định nhằm bảo đảm mức thu tín hiệu vượt ngưỡng nhạy của máy thu:

P_{r} = P_{t} + G_{t} + G_{r} - \text{FSPL} - L_{\text{atm}} - L_{\text{margin}}

với $P_{r}$ là công suất tín hiệu thu được tại đầu vào máy thu (tính bằng dBm hoặc dBW), $P_{t}$ là công suất phát ngõ ra của bộ khuếch đại trạm phát, $G_{t}$ là hệ số khuếch đại định hướng của anten phát, $G_{r}$ là hệ số khuếch đại định hướng của anten thu, $\text{FSPL}$ là suy hao truyền sóng không gian tự do, $L_{\text{atm}}$ là suy hao hấp thụ qua các tầng khí quyển do hơi nước và các phân tử khí, và $L_{\text{margin}}$ là biên dự phòng suy hao pha-đinh do mưa và thấu mờ bóng râm.

Về mặt hình học, một trạm HAPS bay ở độ cao ổn định $h$ có thể tạo ra bán kính vùng phủ sóng danh định trên mặt đất $R_{\text{cov}}$ phụ thuộc vào góc ngẩng tối thiểu $\theta$ của anten:

R_{\text{cov}} \approx \frac{h}{\tan(\theta)}

với $R_{\text{cov}}$ là bán kính vùng phủ sóng danh định tính theo khoảng cách mặt đất, $h$ là độ cao hoạt động của nền tảng trên cao, và $\theta$ là góc ngẩng tối thiểu cần thiết để duy trì đường truyền thẳng. Ví dụ, với một trạm HAPS hoạt động ở độ cao chuẩn $h = 20\text{ km}$ và yêu cầu góc ngẩng tối thiểu $\theta = 10^\circ$ , bán kính vùng phủ sóng trực tiếp trên mặt đất đạt xấp xỉ 113,4 km (tương ứng đường kính vùng phủ sóng đạt hơn 200 km), cho phép bao quát trọn vẹn một vùng đô thị mở rộng hoặc vùng duyên hải rộng lớn.

Các ứng dụng chủ chốt

Nhờ năng lực kết nối rộng lớn và góc nhìn toàn cảnh từ tầng bình lưu, nền tảng trên cao mở ra nhiều ứng dụng chiến lược trong dân sự, kinh tế và quốc phòng:

Phủ sóng băng rộng vùng sâu vùng xa và hải đảo

Tại các vùng địa hình đồi núi chia cắt, thung lũng hiểm trở hoặc khu vực hải đảo xa bờ, việc thi công kéo các tuyến cáp quang ngầm và lắp đặt các trạm BTS mặt đất truyền thống đối mặt với chi phí đầu tư khổng lồ và thách thức bảo trì cực kỳ phức tạp. Chỉ cần một trạm HAPS đơn lẻ hoạt động trên không, toàn bộ khu vực có đường kính từ 100 km đến 200 km có thể được kết nối mạng băng thông rộng liên tục. Tại Việt Nam, với hơn 3000 km đường bờ biển cùng hàng nghìn hòn đảo lớn nhỏ và các vùng cao Tây Bắc hay Tây Nguyên, việc ứng dụng HAPS mang lại lời giải kinh tế đột phá để xóa các vùng lõm sóng di động và kết nối ngư dân trên biển.

Viễn thông khẩn cấp và cứu hộ cứu nạn khi xảy ra thiên tai

Khi các hiện tượng thiên tai cực đoan như bão lớn, lũ quét, động đất xảy ra, hạ tầng viễn thông mặt đất (cột ăng-ten bị gãy đổ, mất điện lưới, đứt cáp quang truyền dẫn) thường bị tê liệt diện rộng, cô lập hoàn toàn các vùng bị nạn. Các nền tảng HAPS khí động học hoặc khí cầu điều khiển có thể cơ động khẩn cấp bay đến tâm vùng thảm họa chỉ trong vòng vài giờ để thiết lập mạng liên lạc vô tuyến tạm thời, hỗ trợ lực lượng cứu hộ chỉ huy cứu nạn và giúp người dân phát tín hiệu cầu cứu kịp thời.

Trạm chuyển tiếp và tính toán biên trong mạng 5G và 6G

Trong khuôn khổ kiến trúc mạng phi mặt đất (NTN), HAPS được định hình là các trạm phát sóng siêu vĩ mô (Super Macro Base Station - SMBS) hoặc trạm chuyển tiếp thụ động/chủ động (Alfattani và cộng sự, 2023). Bằng việc tích hợp các máy chủ điện toán biên (aerial edge computing), HAPS có thể thực hiện xử lý cục bộ, lưu trữ đệm dữ liệu (caching) các nội dung phổ biến và giảm tải áp lực truyền tải cho các trạm mặt đất cũng như đường truyền trung kế của vệ tinh.

Giám sát môi trường và viễn thám độ phân giải cao

Nhờ vị trí bay cách mặt đất chỉ khoảng 20 km (gần hơn từ 20 đến 40 lần so với các vệ tinh quỹ đạo thấp LEO), các cảm biến quang học, ảnh nhiệt hồng ngoại và radar khẩu độ tổng hợp (SAR) lắp trên HAPS có thể thu được ảnh viễn thám với độ phân giải không gian vượt trội dưới 1 m, thậm chí đạt độ phân giải đến vài xentimét. Nền tảng trên cao có thể bay treo hoặc tuần tra liên tục phía trên các khu bảo tồn thiên nhiên để cảnh báo cháy rừng sớm, quan trắc biến đổi dòng hải lưu, phát hiện tràn dầu trên biển và giám sát giao thông đô thị theo thời gian thực.

Thách thức kỹ thuật và môi trường hoạt động tầng bình lưu

Mặc dù mang lại tiềm năng to lớn, việc chế tạo và duy trì các nền tảng HAPS hoạt động ổn định dài ngày ở tầng bình lưu là một thách thức kỹ thuật đỉnh cao đối với ngành hàng không vũ trụ:

Khí động học và gió tầng bình lưu

Tầng bình lưu dưới có sự phân tầng nhiệt độ ổn định, không có các hiện tượng mây dông đối lưu. Tuy nhiên, gió tầng bình lưu vẫn biến động mạnh theo vĩ độ và mùa trong năm. Mặc dù khuyến nghị ITU-R F.1569 chỉ ra dải độ cao từ 20 đến 25 km là vùng cực tiểu cục bộ của tốc độ gió (thường dưới 15 m/s đến 20 m/s), gió cắt ngang (crosswinds) vẫn có thể đẩy dạt nền tảng ra khỏi phạm vi phủ sóng yêu cầu. Các khí cụ bay phải liên tục điều chỉnh lực đẩy động cơ hoặc góc lượn để bám giữ vị trí tĩnh, đòi hỏi hệ thống dẫn đường và điều khiển tự động có độ chính xác cao.

Điều kiện nhiệt độ và áp suất cực đoan

Theo mô hình Khí quyển Tiêu chuẩn Hoa Kỳ (U.S. Standard Atmosphere), ở độ cao 20 km áp suất không khí chỉ còn khoảng 55 hPa (tương đương khoảng 5% áp suất khí quyển tiêu chuẩn 1013,25 hPa tại mực nước biển), và mật độ không khí chỉ còn khoảng 0,088 kg/m³ so với mức 1,225 kg/m³ ở mặt đất. Mật độ không khí quá loãng làm giảm sút nghiêm trọng lực nâng khí động học của cánh máy bay và hiệu suất đẩy của cánh quạt. Đồng thời, theo Karabulut Kurt và cộng sự (2021), nhiệt độ không khí tại độ cao hoạt động của HAPS dao động trung bình từ -15 °C đến -50 °C (có thể hạ thấp tới -70 °C đến -80 °C ở vùng khí hậu nhiệt đới), đòi hỏi vỏ khí cụ bay, hệ thống pin tích điện và các linh kiện bán dẫn điện tử phải được cách nhiệt và sưởi ấm chuyên dụng để duy trì độ tin cậy vận hành lâu dài.

Cân bằng năng lượng mặt trời và chu kỳ ngày - đêm

Thách thức sống còn đối với các nền tảng bay năng lượng mặt trời là chu trình cân bằng năng lượng trong suốt 24 giờ. Ban ngày, các tấm quang điện mặt trời (với hiệu suất hiện đại đạt khoảng 20% đến 30%) phải thu nhận đủ quang năng không chỉ để cấp điện cho động cơ duy trì bay và tải trọng viễn thông, mà còn phải nạp đầy hệ thống pin tích trữ. Ban đêm, kéo dài từ 12 đến 14 giờ tùy vĩ độ và mùa, phương tiện hoàn toàn phụ thuộc vào năng lượng xả ra từ khối pin. Điều này đòi hỏi công nghệ pin lưu trữ phải đạt mật độ năng lượng cực cao, từ 300 Wh/kg đến 400 Wh/kg (hoặc đạt ngưỡng 250 đến 450 Wh/kg), đồng thời khối lượng pin phải được tối ưu để không làm vượt tải trọng cất cánh của máy bay.

Suy hao do mưa và hấp thụ khí quyển ở dải sóng milimét

Đối với các tuyến thông tin vô tuyến sử dụng dải tần số cao sóng milimét như 28 GHz, 38 GHz hay 47 GHz, hiện tượng suy hao do mưa (rain attenuation) và hấp thụ phân tử khí (đặc biệt là oxy và hơi nước) ở các góc ngẩng thấp gây ảnh hưởng lớn tới chất lượng đường truyền. Kỹ sư hệ thống phải áp dụng các kỹ thuật điều chế và mã hóa thích ứng (Adaptive Modulation and Coding - AMC) kết hợp phân tập không gian để duy trì chất lượng dịch vụ khi điều kiện thời tiết mặt đất xấu đi.

Tiêu chuẩn hóa quốc tế và định hướng phát triển

Nhằm đưa HAPS vào khai thác thương mại quy mô lớn, các tổ chức viễn thông và hàng không quốc tế đang đẩy mạnh hoàn thiện khung tiêu chuẩn kỹ thuật:

Chuẩn hóa 3GPP Non-Terrestrial Networks: Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP) đã chính thức đưa HAPS vào các báo cáo nghiên cứu kỹ thuật TR 38.821 và TR 38.863 thuộc bản phát hành Release 16 và Release 17 (Lin và cộng sự, 2021). Các tiêu chuẩn này định nghĩa cấu trúc giao diện vô tuyến, cơ chế bù dịch chuyển tần số Doppler và kỹ thuật quản lý chuyển giao (handover) liền mạch giữa trạm HAPS và mạng mặt đất.
Tích hợp mạng Không gian - Khí quyển - Mặt đất (SAGIN): Trong lộ trình phát triển mạng di động thế hệ thứ sáu (6G), HAPS đóng vai trò tầng liên kết trung chuyển chủ lực trong kiến trúc mạng tích hợp ba tầng SAGIN (Space-Air-Ground Integrated Networks). HAPS kết nối mạng vệ tinh viễn thông quỹ đạo thấp LEO với các mạng cảm biến và người dùng mặt đất, hình thành mạng lưới thông tin liên lạc toàn cầu thông minh và bao trùm.
Tích hợp bề mặt thông minh có thể tái cấu hình: Xu hướng nghiên cứu mới nhất đề xuất tích hợp công nghệ bề mặt thông minh có thể tái cấu hình (Reconfigurable Intelligent Surfaces - RIS) lên thân khí cụ HAPS (Alfattani và cộng sự, 2023). Bằng cách điều khiển pha của các phần tử phản xạ thụ động trên RIS, trạm HAPS có thể định hình búp sóng phản xạ linh hoạt tới các vùng che khuất trên mặt đất mà tiêu tốn rất ít năng lượng, nâng cao hiệu quả phổ tần và tiết kiệm tối đa nguồn điện bay.